¡Científicos chinos han hecho un nuevo avance en la resolución de los "problemas de la industria" de la tecnología de impresión 3D!

Con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología en la actualidad, la tecnología de impresión 3D se ha extendido por todos los ámbitos de la vida como un fuerte viento del este. Desde piezas mecánicas complejas y precisas hasta modelos de productos realistas, desde fantásticos prototipos arquitectónicos hasta necesidades diarias personalizadas, la tecnología de impresión 3D, con su creatividad infinita y su suficiente flexibilidad, ha hecho realidad la imaginación, haciendo la vida de las personas más cómoda y al mismo tiempo trayéndonos sorpresas.

Principio de funcionamiento de la tecnología de impresión 3D

La tecnología de impresión 3D, también conocida como tecnología de fabricación aditiva, es un método de producción innovador que construye entidades tridimensionales apilando materiales capa por capa. Su principio es similar al de la construcción de una casa de ladrillo, que se puede resumir simplemente como "fabricación en capas, apilamiento capa por capa".

El proceso de impresión 3D no es complicado. Primero, se crea u obtiene un modelo digital a través de un software de diseño asistido por computadora, y luego el modelo se corta en una serie de capas transversales muy delgadas (es decir, rebanadas), y el grosor de cada rebanada suele estar entre decenas de micras y cientos de micras. Luego, en función de esta información de corte, la impresora 3D construye el objeto final capa por capa a través de tecnología y materiales específicos.

Los procesos de impresión 3D incluyen el modelado por deposición fundida (FDM), la impresión 3D POR FOTOESTEREOLITOGRAFÍA (SLA, DLP, LCD), la sinterización selectiva por láser (SLS), la fusión selectiva por láser (SLM), la impresión de inyección de tinta estéreo (3DP) y la fabricación capa por capa (LOM).

El modelado por deposición fundida (FDM) es un proceso en el que los materiales termoplásticos filamentosos se calientan y se funden a través de una boquilla, se depositan capa por capa en una plataforma y finalmente se solidifican en un objeto tridimensional. Esta tecnología suele utilizar materiales termoplásticos como materias primas, como el copolímero de acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), ácido poliláctico (PLA), etc. Tiene bajos requisitos de equipo y es fácil de operar, adecuado para individuos y estudios pequeños. El "cuchillo de rábano" y la "espada telescópica" que han sido populares en el mercado de juguetes recientemente se fabrican de esta manera.

La impresión 3D POR ESTEREOLITOGRAFÍA (SLA, DLP, LCD) utiliza la luz de una banda y forma específicas para irradiar resina fotosensible, y la resina fotosensible se cura capa por capa para generar objetos de la forma deseada. Esta tecnología tiene una alta precisión de moldeo y una superficie lisa, y es adecuada para hacer modelos finos y piezas pequeñas.

La sinterización selectiva por láser (SLS) utiliza un rayo láser para escanear materiales en polvo para fundirlos y unirlos, acumulándose capa por capa en un objeto tridimensional. Esta tecnología utiliza polvo como materia prima (como nailon, polvo metálico, polvo cerámico, etc.), tiene una alta precisión de moldeo y es adecuada para la fabricación de piezas funcionales con estructuras complejas.

La fusión selectiva por láser (SLM) tiene una mayor energía láser, similar a la sinterización selectiva por láser (SLS), y puede derretir completamente el polvo metálico para lograr la creación rápida de prototipos de piezas metálicas. Esta tecnología a menudo utiliza polvo metálico (como aleación de titanio, acero inoxidable, etc.) como materias primas, puede imprimir piezas metálicas de alta resistencia y alta precisión, y es ampliamente utilizada en los campos aeroespacial, médico y otros.

La impresión de inyección de tinta estéreo (3DP) utiliza materiales en polvo (metálicos o no metálicos) y adhesivos como materias primas, y utiliza el mecanismo de unión para imprimir cada componente capa por capa. Las muestras moldeadas de esta tecnología de impresión tienen el mismo color que el producto real, y actualmente es una tecnología de impresión 3D en color más madura.

La fabricación de objetos laminados (LOM) utiliza materiales de lámina delgada (como papel, película plástica, etc.) y adhesivo termofusible como materias primas, y acumula los objetos requeridos capa por capa mediante corte por láser y unión térmica. Esta tecnología tiene una velocidad de moldeo rápida y un bajo costo de material, y es adecuada para fabricar grandes estructuras y carcasas.

Aunque el producto de tecnología de impresión 3D tiene un alto grado de restauración, está limitado por las materias primas de impresión. Los productos impresos en 3D son muy frágiles y se rompen fácilmente por fuerzas externas. Cuando estos productos se utilizan en escenarios con altos requisitos de rendimiento mecánico, parecerán ser algo "incapaces". Entonces, ¿cómo mejorar el "corazón de cristal" de los productos impresos en 3D, para que tengan una "piel" atractiva y una "flexibilidad" que no sea fácil de romper?

El 3 de julio de 2024, científicos chinos publicaron el resultado de una investigación sobre elastómeros impresos en 3D en la revista Nature. Las bandas elásticas preparadas con esta tecnología se pueden estirar hasta 9 veces su propia longitud, y la resistencia máxima a la tracción puede alcanzar los 94,6 MPa, lo que equivale a 1 milímetro cuadrado que puede soportar casi 10 kilogramos de gravedad, mostrando una resistencia y tenacidad súper altas.

"Reconciliación" entre la velocidad de moldeo y la tenacidad de los productos terminados

En el proceso de fotocurado de la impresión 3D (SLA, DLP, LCD), mejorar la eficiencia de la producción requiere una velocidad de moldeo más rápida, lo que conduce a un aumento en la densidad de reticulación del material y una disminución en la tenacidad del material durante el proceso de curado. Bajo los métodos convencionales, a medida que aumenta la tenacidad del material, la viscosidad del material también aumentará, lo que conducirá a una disminución de la fluidez y una disminución de la velocidad de moldeo. La contradicción entre la velocidad de moldeo de la impresión 3D y la dureza del producto terminado siempre ha preocupado a toda la industria.

Los científicos chinos han "reconciliado" estas dos contradicciones. Los investigadores propusieron una estrategia para la impresión por etapas y el posprocesamiento mediante el análisis de la resina fotosensible de la materia prima del fotocurado, la impresión 3D y el desmontaje del proceso de impresión. Los investigadores diseñaron un precursor DLP (procesamiento digital de luz) del dimetacrilato, que contiene un enlace de urea obstaculizado dinámicamente y dos grupos carboxilo en la cadena principal. Durante la etapa de impresión y moldeo, estos componentes clave se encuentran en un estado "inactivo" y desempeñan un papel de endurecimiento en la etapa de procesamiento posterior al moldeo.

a. 3D objetos impresos y sus cambios dimensionales durante el posprocesamiento; b. Rendimiento antipinchazos de los globos impresos en 3D; c. Modelado de la fuerza de punción mecánica; D-E. Prueba de levantamiento de pesas con pinza neumática impresa en 3D. Fuente de la imagen: Referencia [1]

Durante la etapa de posprocesamiento a 90 °C, los enlaces de urea obstaculizados en los productos impresos en 3D se disocian para generar grupos isocianato, que por un lado forman enlaces amida con los grupos carboxilo de la cadena lateral y, por otro lado, reaccionan con el agua adsorbida por el ácido carboxílico para formar enlaces de urea. Los cambios en los enlaces químicos dentro de las moléculas conectan la estructura de red única en el material en una estructura de red interpenetrante similar a "mano a mano", trayendo más enlaces de hidrógeno y fortaleciendo la estructura interna del material. Es precisamente debido a los cambios en la estructura interna del material que los productos impresos en 3D tienen un espacio de amortiguación más grande cuando se deforman por fuerzas externas, similar al efecto de absorción de energía de una colisión de vehículos, lo que mejora la resistencia al impacto y la resistencia a la fractura del producto y tiene una mayor tenacidad.

Los resultados experimentales muestran que la película preparada por impresión 3D utilizando un precursor DLP con un espesor de solo 0,8 mm exhibe un rendimiento antipinchazos extremadamente fuerte, lo que le permite soportar una fuerza de 74,4 Newtons sin romperse. Incluso en condiciones de inflado a alta presión, la pinza neumática impresa en 3D puede agarrar una bola de cobre de 70 gramos de peso con espinas afiladas en la superficie sin romperse, lo que demuestra la dureza y la resistencia estructural ultra altas de los productos impresos en 3D.

Amplia aplicación de elastómeros impresos en 3D

En el campo del equipamiento deportivo, los elastómeros impresos en 3D proporcionan a los atletas un equipamiento personalizado y de alto rendimiento. Por ejemplo, las plantillas personalizadas y los equipos de protección utilizan las propiedades de absorción de impactos y soporte de los elastómeros para optimizar el rendimiento deportivo de los atletas y mejorar la experiencia de uso. Especialmente en deportes extremos y deportes de alto impacto, los materiales de elastómero impresos en 3D pueden reducir significativamente el impacto en los atletas durante el ejercicio y proteger sus articulaciones y músculos de lesiones.

En los campos de la automoción y la industria aeroespacial, los elastómeros impresos en 3D se utilizan para componentes clave, como piezas ligeras que absorben los impactos y sellos. Estas piezas pueden reducir el peso y mantener un alto rendimiento a través de diseños estructurales complejos.

En el campo de los productos electrónicos, los altavoces inteligentes, las pulseras inteligentes, las fundas de los teléfonos móviles y otros productos se pueden imprimir con materiales elastómeros. Estos productos no solo tienen una excelente suavidad y elasticidad, sino que también tienen una alta resistencia al desgaste y durabilidad, lo que puede satisfacer las necesidades multifacéticas de los consumidores en cuanto a apariencia y rendimiento del producto.

En el campo de la fabricación industrial, la tecnología de elastómeros de impresión 3D se utiliza para fabricar diversos moldes industriales y correas de transmisión y otras piezas. Estas piezas deben soportar mayores tensiones mecánicas y vibraciones, y los materiales elastómeros son opciones ideales por su excelente elasticidad y resistencia a la fatiga. La fabricación de estas piezas a través de la tecnología de impresión 3D no solo puede mejorar la eficiencia de la producción, sino también reducir los costos de fabricación.

La llegada de la tecnología de elastómeros de impresión 3D ha ampliado aún más los escenarios de uso de los productos de impresión 3D y ha traído más posibilidades coloridas a nuestras vidas.